我國大中型城市秋冬季節霧霾天氣污染特征與成因分析

潘本鋒 汪 巍 李 亮 李健軍 王瑞斌

(中國環境監測總站，北京 100012)

1 前 言

霧和霾是一種自然天氣現象，在氣象科學領域，主要依據水平能見度和環境相對濕度，對霧和霾進行定義和區分，《地面氣象觀測規范》中對霧的描述為“大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，有霧時水平能見度小于1.0 千米”［1］，《霾的觀測和預報等級》中對霾的定義為“大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10km 的空氣普遍渾濁現象”［2］。目前國內外多用相對濕度來界定霧與霾，相對濕度大于90%是霧，低于90%是霾［3］。每年秋冬季節是我國北方地區和中東部地區霧、霾天氣頻發的季節，霧霾天氣期間，能見度較差，空氣質量明顯下降，給人們的交通出行、生產生活、以及身體健康造成嚴重的不良影響。研究發現，霧霾天氣的頻發除了與氣象因素有關外，還與大氣污染等因素有關，本文以北京市2011年秋季一次典型霧霾天氣現象為例，研究了霧霾天氣期間，大氣中顆粒物濃度、氣象參數等關鍵指標的特征和變化規律，分析了我國大中型城市霧霾天氣的成因。

2 霧霾天氣期間氣象要素與環境要素特征分析

2.1 典型霧霾天氣事件回顧

2011年國慶節后第一天，我國中東部大部分地區被秋霧圍困，局部地區甚至出現了能見度不足200 米的濃霧，中央氣象臺于10月8日18 時發布了當年秋季首個大霧藍色預警(見圖1)。此次大霧天氣從10月8日開始一直持續到10月12日，給人們的交通出行造成嚴重影響。

2.2 霧霾天氣期間氣象要素變化特征分析

圖1 2011年10月8日大霧落區預報圖(源自中央氣象臺網站)

在氣象科學領域主要用能見度來辨識霧霾天氣，因此本文同樣以能見度的變化來表征霧霾天氣的產生和消退，對北京市此次霧霾天氣發生過程中，大氣相對濕度、風速、氣溫等氣象要素的變化特征進行分析。

2.2.1 霧霾天氣期間大氣相對濕度變化特征分析

位于北京市朝陽區立水橋附近的中國環境監測總站大氣監測實驗室監測結果顯示，此次霧霾天氣發生過程中，能見度從10月6日0 時的11976m 逐步下降至10月8日23 時的1452m，在能見度下降過程中，大氣相對濕度呈現出顯著上升趨勢，從10月6日的34.7%逐步上升到10月8日的80.5%。大氣相對濕度隨能見度變化情況見圖2。將能見度與相對濕度進行相關回歸分析，相關系數R2為0.7367，能見度與相對濕度呈顯著負相關，能見度隨相對濕度的增大而下降。回歸分析結果見圖3。

圖2 能見度隨相對濕度變化情況

圖3 能見度與相對濕度回歸分析結果

2.2.2 霧霾天氣期間風速變化特征分析

此次霧霾天氣發生過程中，能見度從10月6日0時的11976m 逐步下降至10月8日23 時的1452m，在能見度下降過程中，風速總體上呈顯著下降趨勢，從10月6日0 時 的3.4m/s 下 降 到10月8日23 時 的0.9m/s。風速隨能見度變化情況見圖4。將能見度與風速進行相關回歸分析，相關系數R2為0.2787，能見度與風速呈顯著正相關，能見度隨風速的下降而下降，回歸分析結果見圖5。

2.2.3 霧霾天氣期間氣溫變化特征分析

此次霧霾天氣發生過程中，10月6日平均能見度為10291m，隨后逐步開始下降，至10月9日平均能見度下降至1848m，隨后又逐步上升，至10月14日平均能見度回升至12767m，標志著此次霧霾天氣過程結束。同期氣溫觀測結果顯示，在此次霧霾天氣過程中，每日溫差變化與能見度基本呈相反的變化趨勢。溫差隨能見度變化情況見圖6。將日平均能見度與溫差進行相關回歸分析，相關系數R2為0.1176，能見度與溫差呈負相關，能見度隨溫差的增大而下降，回歸分析結果見圖7。

2.3 霧霾天氣期間PM2.5 質量濃度變化特征分析

此次霧霾天氣發生過程中，能見度從10月6日0時的11976m 逐步下降至10月8日23 時的1452m，在能見度下降過程中，大氣中PM2.5 質量濃度則呈現出顯著上升趨勢，從10月6日0 時的16mg/m3逐步上升到10月8日23 時的293mg/m3。PM2.5 質量濃度隨能見度變化情況見圖8。將能見度與PM2.5 質量濃度進行相關回歸分析，相關系數R2為0.6969，能見度與PM2.5 質量濃度呈顯著負相關，能見度隨PM2.5 質量濃度的增加而明顯下降，回歸分析結果見圖9。

圖4 能見度隨風速變化情況

圖5 能見度與風速回歸分析結果

圖6 能見度隨溫差變化情況

圖7 能見度與溫差回歸分析結果

圖8 能見度隨PM2.5 質量濃度變化情況

圖9 能見度與PM2.5 質量濃度回歸分析結果

3 霧霾天氣成因分析

在氣象科學領域對霧、霾天氣現象的判識主要根據水平能見度的大小，水平能見度是指視力正常的人在當時的天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認出目標物的最大水平距離，是一個綜合性的感官指標，雖可以用來判斷霧霾天氣的產生與否，但不能夠反映霧霾天氣形成時大氣成分的變化和霧霾天氣的形成原因。

對北京市典型霧霾天氣期間大氣中各種環境要素和氣象要素的變化特征進行分析，結果表明霧霾天氣形成過程中大氣相對濕度、風速、溫差等氣象要素，以及大氣中PM2.5 質量濃度均呈現出規律性的變化特征，說明霧霾天氣的形成與上述氣象要素和環境要素密切相關。

影響大氣能見度的最重要的因素是大氣中的氣溶膠粒子，能見度與氣溶膠粒子的散射、吸收能力和氣體分子的散射、吸收能力有關，主要與大氣氣溶膠粒子的散射能力密切相關，能見度的惡化主要與細粒子關系比較大，尤其是出現較重氣溶膠污染導致低能見度事件發生時，細粒子的比重會更大［4］。大氣中的氣溶膠粒子必須達到一定的濃度才能夠造成能見度的下降，通過對霧霾天氣期間大氣中PM2.5 質量濃度變化趨勢分析發現，PM2.5 質量濃度與能見度呈顯著負相關，表明大氣中細顆粒物濃度上升是造成能見度下降，形成霧霾天氣的主要原因。

城市細顆粒物主要來自于火力發電、工業生產、汽車尾氣、生物質燃燒、二次生成、道路揚塵等過程，在污染源排放逐步得到有效監管，排放量相對穩定的情況下，細顆粒物濃度的上升或下降則主要取決于氣象擴散條件的優劣，通過對霧霾天氣期間氣象因素變化特征分析發現，能見度與相對濕度呈負相關，與風速呈正相關，能見度惡化時往往伴隨著高濕度、無風或微風的氣象條件，此類條件均為不利于顆粒物稀釋和擴散的氣象條件，因而容易造成顆粒物濃度迅速累積，由于迅速增加的顆粒物對可見光的散射消光作用，使得能見度下降，形成了霧霾天氣。

單純的霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統，是近地面層空氣中水汽凝結(或凝華)的產物。但是霧的形成需要足夠的濕度、靜風或微風，以及大氣層穩定等基本條件，在我國中東部地區進入秋冬季節后，由于晝夜溫差加大，而且出現無云風小的機會較多，地面散熱較夏天更迅速，以致使地面溫度急劇下降，在清晨氣溫降至最低時，就容易使得近地面空氣中的水汽達到飽和而凝結形成霧。雖然霧是一種自然天氣現象，但形成霧的氣象條件不利于污染物的稀釋和擴散，在此條件下大氣中顆粒物等污染物能夠迅速得以累積，進而造成空氣污染，因此當前我國大中型城市的霧霾天氣已經不僅僅是一種單純的自然天氣現象，出現霧或霾時往往都伴隨著嚴重的空氣污染。

4 研究結論及展望

霧霾天氣是我國中東部地區秋冬季節的常見天氣現象，通過對霧霾天氣發生時大氣相對濕度、風速、氣溫等氣象要素以及PM2.5 濃度等環境要素的變化特征分析，表明霧霾天氣是由氣象要素和環境要素共同作用形成的。在我國北方及中東部地區秋冬季節晝夜溫差較大，在相對濕度較大且靜風或微風的情況下，容易使空氣中水汽出現過飽和而凝結成霧;另一方面此種氣象條件下，非常不利于大氣污染物的稀釋和擴散，容易使大氣中顆粒污染物迅速累積而導致嚴重的空氣污染，大量的顆粒物尤其是細粒子懸浮于空中，對可見光有較強的散射消光作用，造成了能見度下降，則形成霾。

尤其2013年新年伊始全國多地霧霾籠罩，污染由最嚴重的京津冀地區擴散至沿海地區，給公眾交通出行和健康都帶來了嚴重影響。中央氣象臺專家分析，此次霧霾天氣出現是由于冷空氣勢力弱，形成大霧天氣后使空氣中的污染物很難擴散，加重了空氣污染。這一場十面“霾”伏，確實讓國務院、各地方政府、專家學者以及全體公眾更加關注大氣環境質量。尤其目前我國大氣區域性復合污染形勢嚴峻并成為我國“十二五”以及未來大氣污染防治的巨大挑戰。分析導致區域性大氣復合污染的原因，與我國一些地方長期以來經濟發展方式粗放、產業結構不合理密切相關。同時，因大氣環流造成城市間污染物相互影響，僅僅依靠各個城市“各自為戰”，沒有形成區域性治污合力，也是目前酸雨、灰霾和光化學煙霧污染嚴重的重要原因。

黨中央、國務院對區域大氣污染防治高度重視，作出了一系列重要部署。國務院辦公廳于2010年5月11日轉發了環境保護部《關于推進大氣聯防聯控工作改善區域空氣質量的指導意見》。這是國務院第一次專門針對大氣污染防治的綜合性政策文件，明確提出了推進區域聯防聯控工作的指導思想和工作目標。按照貫徹落實科學發展觀、建設生態文明的要求，區域聯防聯控的指導思想是，以改善空氣質量為目的，以全面削減污染排放為手段，充分體現了“質量改善與總量控制并重”的工作思路，以便讓人民群眾實實在在享受到經濟發展帶來的環境效益。同時，《意見》將“增強區域環境保護合力”作為著力點，構建統一規劃、統一監測、統一監管、統一評估、統一協調的區域大氣污染聯防聯控工作機制。

2012年12月由環境保護部、發改委和財政部制定的《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》正式發布，這是我國第一部綜合性大氣污染防治規劃，針對二氧化硫、PM10、PM2．5 等多項污染物實施綜合控制，首提將聯防聯控與屬地管理相結合，推進區域各城市間的聯防聯控。針對公眾最關心的PM2.5，《規劃》提出“十二五”期間各區域的治理目標:到2015年，重點區域PM2.5年均濃度下降5%，而京津冀、長三角、珠三角這三個區域的要求更高，要求年均濃度下降6%。

黨中央、國務院對區域大氣污染防治高度重視，并作出了一系列重要部署，這對于改善人民群眾生活環境質量，必將發揮十分重要的作用。中共中央政治局常委、國務院副總理李克強于2013年1月15日談及空氣污染治理問題時指出，我們及時并如實向公眾公開了PM2.5 的數據。積累問題是個長期過程，解決問題也需要一個長期過程，但是我們必須有所作為!同時強調，我們一方面要加大環保執法和其他相關方面的工作力度，另一方提醒公眾加強自我防護。這件事需要樹立全民意識，需要全民參與，共同治理。

［1］中國氣象局，地面氣象觀測規范［M］．北京:氣象出版社，2003，23－24．

［2］QX/T113－2010，霾的觀測和預報等級［S］．

［3］吳兌．霾與霧的識別和資料分析處理［J］．氣象學報，2008，27(3):327－330．

［4］吳兌，畢雪巖，鄧雪嬌，等．珠江三角洲大氣灰霾導致能見度下降問題研究［J］．氣象學報，2006，64(4):510－517．

［5］劉炳江．“十二五”主要大氣污染物總量減排對策措施［J］．環境與可持續發展，2012，37(4):5－7．

［6］柴發合等．我國城市空氣質量分級管理戰略探討［J］．環境與可持續發展，2011，36(5):9－12．

［7］李培等．我國城市大氣污染控制綜合管理對策［J］．環境與可持續發展，2011，36(5):5－8．